響應面法優化燕麥麩蛋白的擠壓提取工藝

張佳嬋，李小鵬，2，李赫宇，王昌濤，*

（1.北京工商大學植物資源研究開發北京市重點實驗室，北京 100048；2.石河子大學食品學院，新疆石河子 832000；3.天津市益倍建生物技術有限公司，天津 300457）

燕麥蛋白主要由谷蛋白、醇溶蛋白、球蛋白和清蛋白組成[1]，氨基酸含量高，且配比合理，被認為是谷類的最佳平衡蛋白，營養保健價值很高[2]。燕麥麩皮是燕麥加工的副產物，其中含16%～30%蛋白質，是一種良好的蛋白資源[3]。以此為原料提取蛋白質，廉價易得，但目前燕麥麩皮僅用作飼料，尚沒有深入開發。

目前，對燕麥蛋白提取方法的研究主要有堿法[4]、酶法[5]、超聲法[6]及復合法[7]等方法，但應用擠壓法對燕麥麩蛋白的提取工藝研究尚未見報道。

擠壓技術指經預處理的原料通過喂料機借螺桿推動作用連續均勻進入擠壓機，經強烈的擠壓、剪切及高溫處理，通過一個專門設計的孔口而擠出的方法。擠壓機在結構上由4個部分組成即擠壓系統、傳動系統、加熱（冷卻）系統和模頭系統[8]。擠壓過程是一個高溫、高壓的過程，利用擠壓技術的熱、壓效應，強化出料汽、汁、廢料的排料分流，控制腔體內的溫度和壓力參數，對物料擠壓調質，可以在短時間內高效提取物料中不同理化性質的天然產物[9]。響應面法（Response Surface Methodology，RSM）可以采用二次回歸方程擬合多個因素與多個響應值之間的函數關系，通過回歸方程分析尋求最佳工藝參數[10－12]。本實驗首次將擠壓法引入到對燕麥麩皮蛋白的提取研究中，并采用響應面分析法對提取工藝進行了優化，對燕麥麩蛋白的快速、高效提取進行了積極的理論探索。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

燕麥麩皮：張家口面粉廠。

考馬斯亮藍G－250：北京迪朗生化科技有限公司；檸檬酸：國藥集團化學試劑有限公司；磷酸、95%乙醇、鹽酸、氫氧化鈉均為分析純。

1.2 儀器與設備SJSZ－35

錐型雙螺桿擠壓機：張家港市萬塑機械有限公司；DSHZ－300數顯恒溫水浴鍋：國華電器有限公司；T6紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；3－18K離心機：Sigma公司。

1.3 方法

1.3.1 燕麥麩皮的擠壓工藝

烘干的燕麥麩皮→過20目～60目的篩→調整水分含量和檸檬酸含量→一定溫度和轉速下擠壓→擠壓燕麥麩皮

1.3.2 燕麥蛋白提取工藝[13－14]

擠壓燕麥麩皮烘干粉碎，以料液比1∶16、溫度50℃、pH 9.6于恒溫振蕩水浴鍋120 r/min提取60 min，浸提液4 000 r/min離心25 min，得蛋白提取上清液。

1.3.3 蛋白含量的測定

采用考馬斯亮藍法測定蛋白含量[15]。準確量取1 mL蛋白上清液，加入0.1 mg/mL的考馬斯亮藍液5 mL，常溫反應5 min，于595 nm處測定吸光值。由回歸方程y=7.530 7x+0.048 3，R2=0.995 1（式中y為吸光度值，x為蛋白濃度mg/mL）計算得到蛋白含量。

1.3.4 影響擠壓法提取燕麥麩皮蛋白的單因素試驗

對擠壓溫度、螺桿轉速、物料水分含量、檸檬酸含量進行單因素研究，分別考察這4個因素對燕麥麩皮蛋白提取率的影響。

1.3.5 響應面法試驗優化設計[16－18]

在單因素試驗的基礎上，應用SAS8.0軟件，根據Box－Behnken中心組合試驗設計原理，選擇擠壓溫度X1、水分含量X2、螺桿轉速X3和檸檬酸含量X44個因素為自變量，按方程 xi=（Xi－X0）/ΔX 對自變量進行編碼。其中，xi為自變量的編碼值，Xi為自變量的真實值，X0為試驗中心點處自變量的真實值，為ΔX自變量的變化步長，蛋白質提取率（y）為響應值，設計四因素五水平的響應面分析設計。試驗因素水平及編碼見表1。

表1 響應面因素水平及編碼Table 1 Independent variables and levels in Box-Behnken CCD

1.4 蛋白提取率計算

2 結果與分析

2.1 燕麥麩蛋白提取工藝單因素試驗

2.1.1 擠壓溫度對蛋白提取率的影響

在物料水分含量50%、螺桿轉速10 r/min、檸檬酸含量1.2%的條件下，擠壓溫度對蛋白提取率的影響如圖1所示。

結果表明，溫度小于140℃時，蛋白提取率隨溫度的增加變化不明顯，溫度達到170℃時，蛋白提取率達到最大。

2.1.2 物料水分含量對蛋白提取率的影響

在擠壓溫度170℃、螺桿轉速10 r/min、檸檬酸含量1.2%的條件下，物料水分含量對蛋白提取率的影響見圖2。

結果表明，水分含量從40%到50%時，蛋白提取率增加顯著，之后隨著水分含量的增加蛋白提取率下降，并且在水分含量70%時出現給機器喂料困難，故確定水分含量50%為最佳物料水分含量。

2.1.3 螺桿轉速對蛋白提取率的影響

在擠壓溫度170℃、物料水分含量50%、檸檬酸含量1.2%的條件下，螺桿轉速對蛋白提取率的影響見圖3。

由圖3可知，當螺桿轉速為9 r/min時，蛋白提取率最高為15.94 mg/g。之后隨著轉速的提高蛋白提取率逐漸降低，且在18 r/min時出現輕微噴料現象。

2.1.4 檸檬酸含量對蛋白提取率的影響

在擠壓溫度170℃、物料水分含量50%、螺桿轉速9 r/min的條件下，檸檬酸含量對蛋白提取率的影響如圖4所示。

結果表明，隨著檸檬酸含量的增加蛋白提取率略有提高，在1.4%時達到最大值9.78 mg/g，之后蛋白提取率下降。

2.2 擠壓法提取燕麥麩皮蛋白的響應面試驗設計及結果

擠壓法提取燕麥蛋白的結果見表2。

表2 擠壓法提取燕麥麩蛋白的響應面實驗設計及結果Table 2 Center composite design arrangement and experimental resuits

采用SAS8.0軟件對試驗數據進行回歸分析，得到試驗因素對響應值的回歸方程為：

2.3 回歸模型的方差分析

為了說明各因素對擠壓法提取蛋白的影響程度大小和回歸模型的有效性，對回歸模型進行方差分析，結果見表3和表4。

表3 二次回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of the regression equation for the yield of xylan

由表3可知，4個因素對擠壓法提取燕麥麩蛋白的影響都極其顯著（P＜0.01），F值的大小反應了該因素對響應值的影響程度大小，所以影響擠壓法提取蛋白率的因素由大到小依次為：水分含量X3＞檸檬酸含量 X4＞擠壓溫度 X1＞螺桿轉速 X2。

表4 響應值的方差分析Table 4 Variance analysis of response value

由表4可知，4個因素的一次項、二次項極其顯著（P＜0.01），交互項顯著（P＜0.05），說明各個因素和各因素之間的交互作用對提取率都有顯著的影響?？偦貧w模型的均方值為0.935 9，這表明有93.59%數據都可以通過回歸方程來解釋，該回歸方程模型達到極其顯著。

2.4 擠壓法提取蛋白的條件優化

采用SAS軟件對試驗數據進行分析，得到擠壓法提取燕麥麩蛋白的最優因素編碼為：X1在0.967 19水平、X2在-0.823 53 水平、X3在 0.613 271 水平、X4在-0.184 295水平，其相對應的最優工藝參數為：擠壓溫度199.01℃、螺桿轉速7.06 r/min、水分含量59.19%、檸檬酸含量1.289%。此最優條件下蛋白的提取率預測值為13.51mg/g。為便于操作，確定擠壓溫度為199℃、螺桿轉速為7 r/min、水分含量為59%、檸檬酸含量為1.3%，在此條件下進行驗證試驗，得到的蛋白提取率為13.69 mg/g，與預測值基本一致，說明回歸方程與試驗數據擬合性好，響應面優化擠壓法提取燕麥蛋白工藝可行。

3 結論

1）采用響應面法對擠壓提取燕麥蛋白工藝的擠壓溫度、螺桿轉速、水分含量、檸檬酸含量4個主要因素進行方差分析。結果表明：X1、X2、X3、X4、X32、X42、X3X4對蛋白提取率的影響極其顯著，其它變異項影響不顯著，說明試驗因素與響應值不是簡單的線性關系。

2）利用SAS統計軟件分析得到擠壓法提取燕麥蛋白的工藝參數為：擠壓溫度199℃、螺桿轉速7 r/min、水分含量59%、檸檬酸含量1.3%?；貧w模型預測的蛋白提取率為13.51 mg/g，在此最優條件下，通過驗證實驗得到的蛋白提取率為13.69 mg/g，與模型預測值基本一致，說明此模型可靠，可用于生產實踐的指導。

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